DE19515944A1 - Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines elektronisch kommutierten Motors, und Motor zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines einen Hallsensor oder dergleichen - im folgenden Rotorstellungssensor genannt - aufweisenden, elektronisch kommutierten Motors, insbesondere nach der Patentanmeldung P 44 41 372.6. Sie betrifft ferner einen elektronisch kommutierten Motor zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Der Wirkungsgrad elektronisch kommutierter Motoren für kleine Leistungen ist schlecht. Der Grund dafür ist, daß die verwendeten Rotorstellungssensoren einen Strombedarf haben, der in Relation zum Gesamtstrom, der zum Motor fließt, hoch ist. Das stört gerade bei kleinen Motoren, wie sie in tragbaren Geräten verwendet werden, z. B. in Laptops für den Antrieb der Festplatte oder des Diskettenlaufwerks, oder bei Motoren für Betrieb aus Solaranlagen. Durch solche Motoren werden die Batterien relativ schnell erschöpft, wenn sie längere Zeit betrieben werden.

Hat z. B. ein solcher Motor drei Hall-IC′s, von denen jeder einen Strom von 15 mA benötigt, so ergibt sich bei einer Betriebsspannung von 5 V eine Leistung von 230 mW nur für den Betrieb dieser drei IC′s. Bei einer Betriebsspannung von 40 V beträgt diese Leistung - die eine reine Verlustleistung darstellt - 1,8 W und kann höher sein als die abgegebenen Leistung des Motors von z. B. 0,5 W. Entsprechend schlecht wird der Wirkungsgrad eines solchen Motors.

Man hat versucht, diesen Nachteil durch die sogenannte Sensorless- Technik zu umgehen, doch arbeitet diese nicht in allen Fällen mit der gewünschten Zuverlässigkeit, und sie benötigt einen Mikroprozessor, der seinerseits Strom verbraucht und Geld kostet.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein neues Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines elektronisch kommutierten Motors, und einen Motor zur Durchführung eines solchen Verfahrens, bereitzustellen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines einen Hallsensor oder dergleichen - im folgenden Rotorstellungssensor genannt - aufweisenden, elektronisch kommutierten Motors, mit folgenden Schritten: Die Stromversorgung des Rotorstellungssensors wird im Betrieb periodisch unterbrochen; während der Zeit, während deren die Stromversorgung des Rotorstellungssensors eingeschaltet wird, wird dessen Ausgangssignal abgelesen und ausgewertet und/oder zwischengespeichert. Da - je nach Ausgestaltung des Motors - ein Signal vom Rotorstellungssensor nur relativ selten benötigt wird, kann dieser die meiste Zeit ausgeschaltet bleiben, z. B. während 80 bis 90% der Betriebszeit des Motors, sofern der Rotorstellungssensor nur immer wieder kurzzeitig eingeschaltet und abgefragt wird. Da folglich der Mittelwert des Stroms zum Rotorstellungssensor stark reduziert wird, erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors gerade bei kleinen Motoren im Leistungsbereich von 0,5 bis 5 W ganz beträchtlich, und umso mehr, je größer die Zahl der Rotorstellungssensoren des Motors ist.

Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise weitergebildet, daß das Ausgangssignal des Rotorstellungssensors jeweils in der Endphase des Zeitabschnitts abgelesen wird, während dessen der Rotorstellungssensor eingeschaltet ist. Beim Einschalten benötigt ein solcher Sensor erfahrungsgemäß eine bestimmte Einschwingzeit, z. B. 5 µs, bis sein Ausgangssignal stabil ist, und wenn man den Sensor insgesamt 7 µs einschaltet, so kann man ihn z. B. in den letzten zwei Mikrosekunden eines solchen Einschaltzyklus ablesen und dann ggf. dieses erfaßte Signal bis zur nächsten Ablesung zwischenspeichern, oder auch so lange, wie dieses Signal im Augenblick benötigt wird.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist das Aus- und Einschalten des Rotorstellungssensors mit dem Ablauf eines Programmes synchronisiert, das in einem den Motor steuernden Mikroprozessor abläuft, um dieses Programm jeweils dann mit einem Rotorstellungssignal zu versorgen, wenn letzteres vom Programm benötigt wird, oder wenn ein programminterner, zyklisch wiederholter Resetvorgang erfolgt. Man liest also das Ausgangssignal des Sensors dann ein, wenn das in den Programmablauf paßt, z. B. bei einem zyklischen Resetvorgang (vgl. die deutsche Patentanmeldung P 44 42 450.7 der Anmelderin), oder jeweils dann, wenn ein Sensorsignal vom Programm gerade benötigt wird, um eine möglichst "frische" Information über die Rotorstellung zur Verfügung zu haben und den Motor richtig kommutieren zu können.

Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieses Gedankens durchläuft das Programm im Betrieb Schleifen, und der mindestens eine Rotorstellungssensor wird während jeder Schleife mindestens einmal kurzzeitig mit Strom versorgt, um ein aktualisiertes (updated) Rotorstellungssignal zu erzeugen. Diese Programmschleifen und ihre Funktion sind in der zugehörigen Stammanmeldung P 44 41 372.6 in großer Ausführlichkeit beschrieben, und deshalb wird hierauf ausdrücklich Bezug genommen.

Die Versorgung eines oder mehrerer Rotorstellungssensoren mit kurzen Stromimpulsen von nicht unbeträchtlicher Amplitude könnte zu elektrischen Störungen führen. Deshalb wird das Verfahren bevorzugt so weitergebildet, daß der mindestens eine Rotorstellungssensor während seiner Einschaltzeit aus einem Kondensator mit Strom versorgt wird, der während der Ausschaltzeit des Rotorstellungssensors durch eine Ladeschaltung aufgeladen wird, um so den Strombedarf des Motors zu vergleichmäßigen.

Eine Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich auch durch einen Motor zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, mit einem die Kommutierung des Motors steuernden Mikroprozessor, wobei die Ein- und Ausschaltung des mindestens einen Rotorstellungssensors durch einen Ausgang des Mikroprozessors gesteuert ist. Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild, welches den prinzipiellen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 2 ein Schaubild zur Erläuterung von Fig. 1,

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung von Fig. 1, und

Fig. 4 eine Variante zu Fig. 1 für einen Motor mit drei Rotorstellungssensoren.

Die Schaltung nach Fig. 1 ist eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 14 des zugehörigen Hauptpatents. Diese Schaltung enthält einen Mikroprozessor 20 mit integriertem RAM und ROM 21, welch letzteres das Programm dieses Mikroprozessors enthält. Letzterer, auch Microcontroller genannt, kann z. B. vom Typ 17103GS von NEC sein. Seine Anschlüsse sind in Fig. 1 mit 1 bis 15 bezeichnet und auch mit Symbolen beschriftet. Hierauf wird der Leser verwiesen.

Dieser Mikroprozessor 20 dient zur Steuerung und ggf. Drehzahlregelung eines elektronisch kommutierten Motors 25. Dies ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ein zweisträngiger Motor mit zwei Statorsträngen (Statorphasen) 31 und 32 und einem nur symbolisch angedeuteten permanentmagnetischen Rotor 27, in dessen Nähe am Stator ein Rotorstellungssensor 28 angeordnet ist, der vom Magnetfeld des Rotors 27 gesteuert wird. Als Rotorstellungssensor wird gewöhnlich ein Hallgenerator oder ein Hall-IC verwendet. In Fig. 1 ist dieser Rotorstellungssensor 28 auf der linken Seite nochmals in Form eines Hall-IC 28 dargestellt. Der Motor 25 ist bei diesem Beispiel ein zweipulsiger Motor, d. h. pro Rotordrehung von 360° el. werden seinen beiden Strängen 31 und 32 insgesamt zwei Statorstromimpulse zugeführt, von denen jeder etwas kürzer ist als 180° el. und die sich nach Möglichkeit nicht gegenseitig überlappen.

Die Stränge 31 und 32 sind zusammen über einen (als Sicherung dienenden) PTC-Widerstand 121 an eine Plusleitung 45 angeschlossen, z. B. mit +40 V. Der andere Anschluß 20 des Strangs 31 ist mit dem Kollektor eines npn-Darlingtontransistors 33 verbunden, dessen Emitter über einen Knotenpunkt 21 und einen gemeinsamen Emitterwiderstand 122 mit einer Minusleitung 46 verbunden ist.

In völlig symmetrischer Weise ist der andere Anschluß 23 des Strangs 32 mit dem Kollektor eines npn-Darlingtontransistors 34 verbunden, dessen Emitter mit dem Knotenpunkt 21 verbunden ist.

Die Basis des Transistors 33 ist über einen Widerstand 35 mit dem Ausgang 11 (out 1) des Mikroprozessors 20 verbunden. Zwischen ihr und dem Knotenpunkt 20 sind ein Kondensator 37 und eine Zenerdiode 123 angeordnet. Die RC-Kombination 35-37 dient dazu, die Schaltvorgänge des Transistors 33 zu verlangsamen, um Stromspikes und Funkstörungen beim Abschalten des Transistors 33 zu vermeiden.

Die Basis des Transistors 34 ist über einen Widerstand 36 mit dem Ausgang 10 (out 2) des Mikroprozessors 20 verbunden. Zwischen ihr und dem Knotenpunkt 23 liegen ein Kondensator 38 und dazu parallel eine Zenerdiode 124.

Im Betrieb werden die Transistoren 33 und 34 durch den Mikroprozessor 20 alternierend eingeschaltet, gesteuert durch das Ausgangssignal des Hall-IC 28, so daß während einer Rotordrehung von 360° el. zunächst der Transistor 33 etwa während 180° el. leitend ist, und anschließend der Transistor 34 während der folgenden 180° el. Dies ist die übliche Arbeitsweise solcher Motoren. Besonders in Lüftern tun solche Motoren zu Millionen ihren Dienst. Ihr Aufbau ist beispielhaft beschrieben in der DE 23 46 380 C2. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diesen Typ von Motor beschränkt, der nur einen einzigen Hall-IC 28 benötigt. Sie erbringt vielmehr noch größere Vorteile bei Motoren mit mehreren Strängen, die eine größere Anzahl von Hall-IC′s benötigen. Hierzu wird verwiesen auf den Aufsatz von Dr. Rolf Müller in asr-digest für angewandte Antriebstechnik 1977, 27 bis 31, wo zahlreiche Bauarten von elektronisch kommutierten Motoren gezeigt und beschrieben sind, für die sich die Erfindung in gleicher Weise eignet. Anhand von Fig. 4 wird nachfolgend ein Motor mit einer größeren Zahl von Rotorstellungssensoren beschrieben.

Zur Stromversorgung des Mikroprozessors 20 und des Hall-IC 28 dient ein stabilisiertes Netzteil 40, das über eine Diode 42 an die Plusleitung 45 angeschlossen ist. Es enthält einen npn-Längstransistor 41, der als Regler dient und dessen Emitter mit einer internen Plusleitung 42 verbunden ist, an der im Betrieb eine stabilisierte Spannung von z. B. +5 V liegt. Zwischen ihr und der Minusleitung 46 liegen zwei Kondensatoren 43 und 44, von denen letzterer direkt an den Eingang 8 (VCC) des Mikroprozessors 20 angeschlossen ist, über den letzterer mit Strom versorgt wird. Durch den Kondensator 44 werden elektrische Störungen vom Mikroprozessor ferngehalten. Der Aufbau des Netzteils 40 ergibt sich aus Fig. 1.

Von der internen Plusleitung 42 führt ein Widerstand 50 zum Eingang 3 (RESET) des Mikroprozessors 20, und von diesem führt ein Kondensator 51 zur Minusleitung 46. Beim Einschalten des Motors 25 ist der Kondensator 51 entladen, d. h. der Reset-Eingang 3 hat dann das Potential der Minusleitung 46, und dies bewirkt ein Einschalt-Reset des Mikroprozessors 21, auch bekannt als POWER UP RESET. Anschließend lädt sich der Kondensator 51 auf, so daß kein weiterer Reset dieser Art stattfindet, solange der Motor läuft, wie im Hauptpatent beschrieben. Dagegen finden im Betrieb laufend sogenannte zyklische Resetvorgänge statt, z. B. jeweils an einer bestimmten Drehstellung des Rotors 27, um zu verhindern, daß der Motor stehenbleibt, weil sich das Programm "aufhängt". Diese zyklischen Resetvorgänge können gleichzeitig mit der Abfrage des Hall-IC erfolgen. Die zyklischen Resetvorgänge sind beschrieben in der deutschen Patentanmeldung P 44 42 450.7 der Anmelderin, auf deren vollen Inhalt zur Vermeidung von Längen Bezug genommen wird.

Der Hall-IC 28 ist mit seinem GND-Anschluß 52 an die Minusleitung 46 und mit seinem Plusanschluß 53 an den Ausgang 13 (RA3) des Mikroprozessors 20 angeschlossen. Diesem Ausgang RA3 ist intern im Mikroprozessor 20 eine (nicht dargestellte) push-pull-Endstufe zugeordnet, d. h. diese Endstufe kann, gesteuert durch das Programm im ROM 21, den Ausgang 13 mit dem Anschluß 6 (GND) verbinden, was einem logischen Wert "0" an diesem Ausgang 13 entspricht, so daß der Hall-IC 28 stromlos wird. Alternativ kann diese interne Endstufe den Ausgang 13 mit dem Anschluß 8 (VCC) verbinden, was einem logischen Wert "1" entspricht, um dadurch dem Hall-IC 28 eine Betriebsspannung U_H an dessen Pluseingang 53 zuzuführen. Dadurch, daß diese Betriebsspannung U_H gemäß Fig. 2a immer nur während einer kurzen Zeitspanne t₂ angelegt wird, fließen auch nur kurze Stromimpulse i_H zum Hall-IC 28, wie sie in Fig. 2b dargestellt sind.

Die Zeitdauer t₂ der Spannungsimpulse U_H (Fig. 2a) kann z. B. 7 µs betragen, während der Abstand t₁ zwischen zwei solchen Spannungs­ impulsen U_H gewöhnlich in der Größenordnung von 50 bis 150 µs liegen wird, d. h. die Abfragen des Hall-IC 28 erfolgen relativ häufig, z. B. 10.000 bis 20.000 Mal pro Sekunde, oder, bezogen auf eine Drehzahl von 3000 n, grob gerechnet etwa 100 Mal zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsvorgängen im Motor 25. Der zeitliche Abstand t₁ ergibt sich aus der Struktur des Programms im ROM 21, und aus der Taktfrequenz (z. B. 4 MHz) des Oszillators 112 des Mikroprozessors 20. Dieser Oszillator 112 ist an die Eingänge 1 (OSC2) und zwei (OSC1) des Mikroprozessors 20 angeschlossen.

Fig. 2c zeigt, wie das Signal am Ausgang 58 des Hall-IC 28 bevorzugt jeweils im Endabschnitt der Zeitdauer t₂ abgelesen wird. Mit t₃ ist in Fig. 2 der Zeitabschnitt bezeichnet, während dessen der Hall-IC 28 stromlos ist. Bei einer Versuchsanordnung betrug z. B. die Zeit t₁ 60 µs, die Zeit t₂ 7 µs, und folglich die stromlose Zeit t₃ 53 µs, d. h. während 88% der Gesamtzeit t₂ einer Meßperiode ist der Hall-IC 28 stromlos, wodurch der Wirkungsgrad des Motors 25 erheblich ansteigt.

Wenn der Hall-IC 28 über den Mikroprozessor 20 mit einer Spannung U_H versorgt wird, entsteht an seinem Ausgang 58 ein Hallsignal H1, das dem Eingang 7 (KOMM) des Mikroprozessors 20 zugeführt und in letzterem als Signal KOMM gespeichert wird. Die Größe des Signals H1 ist davon abhängig, ob dem Hall-IC 28 ein Nordpol oder ein Südpol des Rotormagneten 27 gegenübersteht. Z.B. kann bei einem Nordpol das Signal H den logischen Wert "0" haben, und bei einem Südpol den logischen Wert "1", oder umgekehrt. Dieser logische Wert wird als Signal KOMM im Mikroprozessor 20 gespeichert, und zwar so lange, bis der nächste Wert von H1 abgelesen wird. - Der Anschluß 7 des Mikroprozessors 20 ist über einen Widerstand 56 mit der internen Plusleitung 42 verbunden.

Der Eingang 14 (N0) des Mikroprozessors 20 ist über einen Widerstand 118 mit der Minusleitung 46 verbunden, der Eingang 15 (N1) über einen Widerstand 119 mit der internen Plusleitung 42, die Eingänge 12 (ATS) und 5 (E/A) ebenfalls mit der internen Plusleitung 42, und der Eingang 6 (DIF) ist über einen Widerstand 286 mit der Minusleitung 46 verbunden. Dies entspricht der Schaltungsvariante gemäß Fig. 25 des zugehörigen Hauptpatents, also Betrieb des Motors ohne Drehzahlregelung. Naturgemäß ist, falls gewünscht, auch ein Betrieb mit Drehzahlregelung möglich, wie im Hauptpatent beschrieben.

Arbeitsweise von Fig. 1

Hierzu wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen.

Gemäß Fig. 3 durchläuft das Programm des Mikroprozessors 20 ständig Schleifen, wie im Hauptpatent ausführlich beschrieben. Diese Schleifen haben jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer, z. B. 60 µs, und sie dienen - neben anderen Funktionen, die in ihrem Verlauf ablaufen - zur Zeitmessung, d. h. wenn für eine bestimmten Vorgang beispielsweise zehn Schleifen (loops) à 60 µs benötigt werden, weiß man, daß dieser Vorgang 600 µs = 0,6 ms dauert.

Beim Einschalten des Motors 25 erfolgt im Schritt S60 eine Initialisierung durch den bereits beschriebenen Einschalt-Reset am Eingang 3 (RESET). Dies bewirkt eine Rückstellung des Programmzählers und eine Einstellung der internen Register auf vorgegebene Werte, wie im Hauptpatent bei Schritt S130 ausführlich beschrieben. Anschließend wird im Schritt S62 der Ausgang RA3 des Mikroprozessors 20 auf "1" geschaltet, also auf die Spannung der internen Plusleitung 42, wodurch zum Hall-IC 28 ein Stromimpuls i_H (Fig. 2b) fließt. Erst wenn dieser Strom einige µs geflossen ist, kann das Signal H1 vom Mikroprozessor 20 abgelesen werden, und deshalb erfolgt durch den Schritt S64 eine zeitliche Verzögerung, z. B. durch einige NOP-Befehle. Nach Ablauf des Schritts S64 wird im Schritt S66 das Ausgangssignal H1 des Hall-IC 28 abgelesen und als logisches Signal KOMM im Mikroprozessor 20 gespeichert. Anschließend wird im Schritt S68 der Ausgang RA3 des Mikroprozessors 20 wieder auf "0" gesetzt, d. h. der Hall-IC 28 wird wieder stromlos gemacht, so daß er keine Energie verbraucht, was den Wirkungsgrad des Motors 25 erhöht.

Im Schritt S70 erfolgt nun anhand des gespeicherten Wertes KOMM die Kommutierung (vgl. den Schritt S201 des Hauptpatents), und es werden Schleifen durchlaufen, in denen ggf. Vorgänge wie Drehzahlregelung, Strombegrenzung, Erzeugung eines Alarmsignals etc. stattfinden. Hierzu wird auf die Fig. 15 bis 20 des Hauptpatents hingewiesen, wo das in großer Ausführlichkeit beschrieben ist. Diese Schleifen sind in Fig. 3 durch den Pfeil 72 angedeutet. Sie dauern typisch zwischen 50 und 150 µs (bei einem bestimmten Motortyp hat eine Schleife eine vorgegebene Zeitdauer), und im Bereich des Endes einer jeden Schleife wird erneut das Signal RA3 kurzzeitig auf "1" geschaltet, um ein neues, frisches Hallsignal H1 zu erhalten, das die augenblickliche Stellung des Rotors 27 angibt und eine korrekte Kommutierung ermöglicht.

Es ist darauf hinzuweisen, daß bei den Schleifen gemäß dem Hauptpatent die Abfrage des Hall-IC 28 in Fig. 16 des Hauptpatents kurz vor dem Schritt S144 und in Fig. 17 kurz vor dem Schritt S155 stattfinden sollte, um eine optimale Funktion des Motors zu gewährleisten.

Fig. 2a zeigt die Spannungsimpulse U_H mit einer Zeitdauer t₂, die auch in Fig. 3 angegeben ist und z. B. 7 µs beträgt, wie in Fig. 3 angegeben. Die Zeitdauer t1 zwischen zwei Spannungsimpulsen ist wesentlich länger und entspricht der Zeitdauer eines Schleifen­ durchlaufs, also z. B. 60 µs. Da in diesem fall der Strom i_H nur während 7/60×100% = 11,7%der gesamten Zeit fließt, sinkt der Leistungsbedarf des Hall-IC 28 auf weniger als 20% des Wertes bei kontinuierlicher Stromversorgung, wie sie im Hauptpatent dargestellt ist. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Motors 25 erheblich verbessert.

Fig. 2c zeigt, wie das Hallsignal H1 jeweils gegen Ende einer Zeitdauer t₂ abgelesen wird, um dem Hall-IC 28 genügend Zeit für Einschwingvorgänge zu geben.

Da die Stromimpulse i_H dem Kondensator 43 (z. B. 2,2 µF), der als Puffer dient, entnommen werden, machen sie sich in der Stromzufuhr zur Plusleitung 45 in bezug auf Stromwelligkeit kaum bemerkbar.

Bei Fig. 1 wird der Hall-IC 28 direkt über den Mikroprozessor 20 mit Strom versorgt. Dies ist möglich, weil dieser Strom zwischen 8 und 15 mA liegt. Verwendet ein solcher Motor aber mehrere Hall-IC′s, so könnte der Mikroprozessor 20 durch die erforderlichen Ströme überlastet werden. Fig. 4 zeigt eine Schaltung mit drei Hall-IC′s 71, 72 und 73, die Hallsignale H1, H2 bzw. H3 erzeugen, welche drei Eingängen KOMM 1, KOMM 2 bzw. KOMM 3 des Mikroprozessors 20 zugeführt und dort als entsprechende Signale zwischengespeichert werden. Diese Eingänge sind über je einen Widerstand 74, 75 bzw. 76 mit der internen Plusleitung 42 verbunden. Dies sind die sogenannten Pullup-Widerstände der Hall-IC′s.

Die Hall-IC′s 71, 72 und 73 sind jeweils mit ihrem GND-Anschluß mit der Minusleitung 46 verbunden, und mit ihrem Plusanschluß 92 gemeinsam mit dem Emitter eines npn-Transistors 78 (z. B. BC847C), dessen Kollektor mit einem Knotenpunkt 80 und dessen Basis mit einem Knotenpunkt 82 verbunden ist.

Zwischen dem Knotenpunkt 80 und der Minusleitung 46 liegt ein Speicherkondensator 84 (z. B. 100 nF), der als Spannungspuffer für die Versorgung der Hall-IC′s dient und der zwischen den zu den Hall-IC′s fließenden Stromimpulsen über einen Widerstand 86 (z. B. 1 kOhm) von der Plusleitung 45 (z. B. +40 V) aus aufgeladen wird. Durch die Hallimpulse nimmt die Spannung u_c am Kondensator 84 jeweils kurzzeitig ab, so daß diese Spannung u_c im Betrieb einen sägezahnförmigen Verlauf hat.

Der Knotenpunkt 82 ist über einen Widerstand 88 (z. B. 39 kOhm) mit der Plusleitung 45 und über einen Widerstand 90 (z. B. 22 kOhm) mit der Minusleitung 46 verbunden. Das Potential des Punktes 82 wird also durch das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 88 und 90 bestimmt, und da der Transistor 78 als Emitterfolger geschaltet ist, bestimmt dieses Potential des Punktes 82 auch das Potential des Emitters des Transistors 78, das also stets etwas negativer ist als das Potential des Knotenpunkts 82. Dies bewirkt also eine konstante Spannung am Plusanschluß 92 der drei Hall-IC′s 71, 72 und 73, solange diese eingeschaltet sind.

Parallel zum Widerstand 90 ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines npn-Transistors 94 (z. B. BC847C) angeordnet, dessen Basis über einen Widerstand 96 (22 kOhm) mit dem Ausgang 13 (RA3) des Mikroprozessors 20 verbunden ist. Dieser Ausgang ist über einen Widerstand 98 (z. B. 22 kOhm) mit der internen Plusleitung 42 verbunden.

Solange der Transistor 94 leitend ist, weil er über den Widerstand 98 einen Basisstrom erhält, überbrückt er den Widerstand 90, so daß der Knotenpunkt 82 ein Potential erhält, das etwa dem Potential der Minusleitung 46 entspricht. Dadurch ist der Transistor 78 gesperrt, da er keinen Basisstrom erhält, und die drei Hall-IC′s sind stromlos, so daß sich der Kondensator 84 über den Widerstand 86 aufladen kann.

Wird der Ausgang RA3 bei diesem Mikroprozessor 20 intern (durch einen nur schematisch angedeuteten Transistor 93) mit der Minusleitung 46 verbunden, so sperrt der Transistor 94, und der Punkt 82 nimmt ein Potential an, das dem Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 88 und 90 entspricht, also z. B. +20 V. Folglich erhält man am Emitter des Transistors 78 eine Spannung von z. B. +19 V, und es fließt also vom Kondensator 84 ein Strom i_H zu den drei Hall-IC′s 71, 72 und 73, wobei die Spannung an diesen Hall-IC′s unabhängig von der Ladespannung des Kondensators 84 und unabhängig von der angelegten Betriebsspannung des Motors auf dem Spannungsteilerpegel der Widerstände 88 und 90 gehalten wird. Die Stromimpulse i_H werden an der Plusleitung 45 kaum spürbar und verteilen sich zeitlich, so daß der Motorstrom insgesamt erheblich abnimmt, da die drei Hall-IC′s 71, 72 und 73 statt eines kontinuierlichen Stroms von z. B. 45 mA nur noch einen Strom brauchen, dessen zeitlicher Mittelwert z. B. zwischen 5 und 10 mA liegt. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Motors erheblich verbessert.

Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Schaltung ist, daß die Ströme i_H, die zu den drei Hall-IC′s 71, 72 und 73 fließen, die Spannung VCC am Mikroprozessor 20 nicht beeinflussen und daher keine Störungen an diesem hervorrufen können. Im Vergleich zu Fig. 1, wo ein relativ großer Speicherkondensator 43 (z. B. 2,2 µF) benötigt wird, benötigt man bei Fig. 4 für den Kondensator 84 nur einen relativ kleinen Kondensator von z. B. 100 nF, aber für eine höhere Betriebsspannung.

Der Motor 130 der Fig. 4 ist dreisträngig. Sein Rotormagnet ist mit 132 bezeichnet. Der Motor 130 wird über eine übliche Brückenschaltung 134 mit Strom versorgt, und diese Brückenschaltung 134 wird, wie dargestellt, vom Mikroprozessor 20 gesteuert, wobei die drei Hall- IC′s 71, 72, 73 bestimmen, welcher der drei Stränge 136, 137 und 138 im Augenblick an die Plusleitung 45 und welcher an die Minusleitung 46 angeschlossen werden soll. Der Mikroprozessor 20 kann auch die Drehzahl des Motors 130 regeln, wie im Hauptpatent ausführlich beschrieben, ggf. auch abhängig von einer Temperatur.

Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich. Durch die Erhöhung des Wirkungsgrades eignen sich erfindungsgemäße Motoren besonders für mobile Anwendungen, oder für Anwendungen mit Solarbetrieb. Insbesondere kann es sehr vorteilhaft sein, den Vorgang der Ablesung des Signals des Rotorstellungssensors mit einem programminternen Resetvorgang zu koppeln, der bei solchen Motoren bevorzugt an bestimmten Drehstellungen des Rotors erfolgt.

Anstatt bei der Verwendung mehrerer Hall-IC′s alle gleichzeitig und gemeinsam mit Strom zu versorgen, wie das in Fig. 4 dargestellt ist, kann es auch vorteilhaft sein, die einzelnen Hall-IC′s (in Analogie zu Fig. 1) an separate Ausgänge des Mikroprozessors 20 anzuschließen, also den ersten Hall-IC an einen ersten Ausgang, den zweiten Hall-IC an einen zweiten Ausgang, etc., und diese Ausgänge separat durch das Programm zu steuern. Man kann dann diese drei Hall-IC′s nacheinander sequentiell abfragen und so den Strombedarf zeitlich verteilen, so daß ein kleinerer Speicherkondensator für das Netzteil 40 ausreicht. Solche und andere Modifikationen liegen im Rahmen der Erfindung.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines einen Hallsensor oder dergleichen - im folgenden Rotorstellungssensor genannt - aufweisenden, elektronisch kommutierten Motors, insbesondere nach der deutschen Patentanmeldung P 44 41 372.6, mit folgenden Schritten:

• - die Stromversorgung des Rotorstellungssensors (28; 71, 72, 73) wird im Betrieb periodisch unterbrochen (Fig. 2a: Zeit t₃);
• - während der Zeit (t₂), während deren die Stromversorgung des Rotorstellungssensors (28; 71, 72, 73) eingeschaltet wird, wird dessen Ausgangssignal (H1, H2, H3) abgelesen und ausgewertet und/oder zwischengespeichert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Ausgangssignal des Rotorstellungssensors jeweils in der Endphase des Zeitabschnitts (t₂) abgelesen wird, während dessen der Rotorstellungssensor eingeschaltet ist (Fig. 2b).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Aus- und Einschalten des Rotorstellungssensors mit dem Ablauf eines Programmes (Fig. 3) synchronisiert wird, das in einem den Motor steuernden Mikroprozessor (20) abläuft, um das Programm jeweils dann mit einem Rotorstellungssignal zu versorgen, wenn letzteres vom Programm benötigt wird, oder wenn ein programminterner, zyklisch wiederholter Resetvorgang erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Programm Schleifen (72) durchläuft, und während jeder Schleife der Rotorstellungssensor mindestens einmal kurzzeitig mit Strom versorgt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Verhältnis von Einschaltzeit (t₂) zu Ausschaltzeit des Rotorstellungssensors 20% oder weniger beträgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Rotorstellungssensor während seiner Einschaltzeit (t₂) aus einem Kondensator (43; 84) mit Energie versorgt wird, die während der Ausschaltzeit (t₃) des Rotorstellungssensors durch eine Ladeschaltung (41; 86) in den Kondensator geladen wird, um so den Strombedarf des Motors zu vergleichmäßigen.

7. Motor zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem die Kommutierung des Motors steuernden Mikroprozessor (20), wobei die Ein-und Ausschaltung des mindestens einen Rotorstellungssensors (28; 71, 72, 73) durch einen Ausgang (RA3) des Mikroprozessors (20) gesteuert ist.

8. Motor nach Anspruch 7, bei welcher der Mikroprozessor (20) interne Speichermittel (20) zum Speichern des beim Einschalten des Rotorstellungssensors erfaßten Rotorstellungssignals (H1, H2, H3) aufweist.

9. Motor nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem dem Rotorstellungssensor ein Speicherkondensator (43; 84) zugeordnet ist, welcher während der Ausschaltzeit des Rotorstellungssensors (28; 71, 72, 73) aufgeladen wird und welcher während der Einschaltzeit (t₂) einen Betriebsstrom für den Rotorstellungssensor liefert.

10. Motor nach Anspruch 9, bei welchem der Strom (i_H) aus dem Speicherkondensator (84) dem mindestens einen Rotorstellungssensor (71, 72, 73) über einen in Emitterschaltung betriebenen Transistor (78) zuführbar ist, dessen Basispotential vom Mikroprozessor gesteuert wird und während der Stromzufuhr auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird, um die Versorgungsspannung des mindestens einen Rotorstellungssensors im wesentlichen konstantzuhalten.